時間：2023-02-22 11:41:44
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇傳感器設計論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關(guān)鍵詞：測力傳感器，應力集中，精度，靈敏度
一、概述
對于電阻應變片式測力傳感器（以下簡稱“測力傳感器”）來說，彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對測力傳感器性能的影響極大。可以說，測力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關(guān)尺寸。如果測力傳感器的彈性體設計不合理，無論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應變片的品質(zhì)多好，測力傳感器都難以達到較高的測力性能。因此，在測力傳感器的設計過程中，對彈性體進行合理的設計至關(guān)重要。
彈性體的設計基本屬于機械結(jié)構(gòu)設計的范圍，但因測力性能的需要，其結(jié)構(gòu)上與普通的機械零件和構(gòu)件有所不同。一般說來，普通的機械零件和構(gòu)件只須滿足在足夠大的安全系數(shù)下的強度和剛度即可，對在受力條件下零件或構(gòu)件上的應力分布情況不必嚴格要求。然而，對于彈性體來說，除了需要滿足機械強度和剛度要求以外，必須保證彈性體上粘貼電阻應變片部位（以下簡稱“貼片部位”）的應力（應變）與彈性體承受的載荷（被測力）保持嚴格的對應關(guān)系；同時，為了提高測力傳感器測力的靈敏度，還應使貼片部位達到較高的應力（應變）水平。
由此可見，在彈性體的設計過程中必須滿足以下兩項要求：
（1）貼片部位的應力（應變）應與被測力保持嚴格的對應關(guān)系；
（2）貼片部位應具有較高的應力（應變）水平。
為了滿足上述兩項要求，在測力傳感器的彈性體設計方面，經(jīng)常應用“應力集中”的設計原則，確保貼片部位的應力（應變）水平較高，并與被測力保持嚴格的對應關(guān)系，以提高所設計測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。
二、改善應力（應變）不規(guī)則分布的“應力集中”原則
在機械零件或構(gòu)件的設計過程中，通常認為應力（應變）在零件或構(gòu)件上是規(guī)則分布的，如果零件或構(gòu)件的截面形狀不發(fā)生變化，不必考慮應力（應變）分布不規(guī)則的問題。其實，在機械零件或構(gòu)件的設計中，對于應力（應變）不規(guī)則分布的問題并非不予考慮，而是通過強度計算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了。
對于測力傳感器來說，它是通過電阻應變片測量彈性體上貼片部位的應變來測量被測力的大小。若要保證貼片部位的應力（應變）與被測力保持嚴格的對應關(guān)系，實際上就是保證在測力傳感器受力時，彈性體上貼片部位的應力（應變）要按照某一規(guī)律分布。在實際應用中，對于彈性體貼片部位應力（應變）分布影響較大的因素主要是彈性體受力條件的變化。
彈性體受力條件的變化是指當彈性體受力的大小不變時，力的作用點發(fā)生變化或彈性體與其相鄰的加載構(gòu)件和承載構(gòu)件的接觸條件發(fā)生變化。如果在彈性體結(jié)構(gòu)設計時，未能考慮這一情況，就可能造成彈性體上應力（應變）分布的不規(guī)則變化。這方面最典型的實例是筒式測力傳感器（見圖1）。
當筒式測力傳感器上、下端面均勻受力時，在彈性體貼片部位的整個圓周上應力（應變）的分布是均勻的。當上、下兩個端面上受力情況發(fā)生變化后，力在兩個端面的作用情況不再是均勻分布的，這時彈性體貼片部位圓周上應力（應變）的分布情況就難以預料了。如果筒式測力傳感器彈性體的高度與直徑之比足夠大，彈性體貼片部位圓周上的應力（應變）基本上還是均勻分布。但是，在實際應用中，通常很少能為測力傳感器提供較大的安裝空間位置，因而筒式測力傳感器彈性體的高度與直徑之比很難做到足夠大，彈性體貼片部位圓周上應力（應變）將不均勻分布，而且不均勻分布的情況隨彈性體受力情況的變化而改變。在這樣的條件下，彈性體貼片部位的應力（應變）與被測力不能保持嚴格的對應關(guān)系，將造成明顯的測力誤差。
為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測力誤差，有些傳感器設計者采取在筒式測力傳感器彈性體上增加貼片數(shù)量的方法，盡可能將彈性體上貼片部位圓周上應力（應變）分布不均勻的情況測量出來。這樣的處理方法有一定的效果，可以減小彈性體受力條件的變化引起的測力誤差。但這種方法畢竟是一種被動的方法，增加的貼片數(shù)量總是有限的，還是很難把彈性體上貼片部位圓周上應力（應變）分布不均勻的情況全部測量出來，測力誤差減小的程度不夠顯著。
由于彈性體受力條件的變化引起的測力誤差的實質(zhì)是彈性體貼片部位圓周上的應力（應變）的不規(guī)則分布，如果能使彈性體貼片部位圓周上的應力（應變）分布受到一定條件的約束，迫使貼片部位的應力（應變）按照某一規(guī)律分布，因而使得彈性體貼片部位的應力（應變）與被測力基本保持嚴格的對應關(guān)系，由此來減小因彈性體受力條件的變化引起的測力誤差。
對于筒式測力傳感器來說，在承載強度足夠的條件下，如果將彈性體貼片部位圓周上不貼片的部位挖空（見圖2），使得應力只能在未挖空的部位分布，大大改善了應力（應變）不規(guī)則分布的情況。或者說，應力（應變）的不規(guī)則分布僅僅限于未挖空的部位，并且其不規(guī)則分布的程度不會很大。因此，在未挖空的部位粘貼電阻應變片，就能使測得的應力（應變）與被測力基本保持嚴格的對應關(guān)系。
上述處理方法實際上出于這樣一個原理：通過某種措施，使彈性體上的應力（應變）集中分布在便于貼片檢測的部位，實現(xiàn)測得的應力（應變）與被測力基本保持嚴格的對應關(guān)系，以保證傳感器的測力精度。
作者曾用上述方法對筒式測力傳感器進行改進。改進前的普通筒式傳感器測力誤差大于1%F.S.，改進后（局部挖空）的筒式傳感器測力誤差為0.1~0.3%F.S.，測力精度明顯提高。
三、提高應力（應變）水平的應力集中原則
若要測力傳感器達到較高的靈敏度，通常應該使電阻應變片有較高的應變水平，即在彈性體上貼片部位應該有較高的應力（應變）水平。
實現(xiàn)彈性體上貼片部位達到較高應力（應變）水平有兩種常用的方法：
（1）整體減小彈性體的尺寸，全面提高彈性體上的應力（應變）水平；
（2）在貼片部位附近對彈性體進行局部削弱，使貼片部位局部應力（應變）水平提高，而彈性體其它部位的應力（應變）水平基本不變。
以上兩種方法都可以提高貼片部位的應力（應變）水平，但對彈性體整體性能而言，局部削弱彈性體的效果要遠好于整體減小彈性體尺寸。因為局部削弱彈性體既能提高貼片部位的應力（應變）水平，又使得彈性體整體保持較高的強度和剛度，有利于提高傳感器的性能和使用效果。
局部削弱彈性體提高貼片部位應力（應變）水平的原理是：通過局部削弱彈性體，造成局部的應力集中，使得應力集中部位的應力（應變）水平明顯高于彈性體其它部位的應力水平，將電阻應變片粘貼于應力集中部位，就可以測得較高的應變水平。
局部應力（應變）集中的方法在測力傳感器的設計中經(jīng)常被采用，尤其在梁式測力傳感器（如彎曲梁式和剪切梁式測力傳感器）的彈性體設計中被廣泛應用。局部應力（應變）集中方法應用較為成功的當數(shù)剪切梁式測力傳感器。剪切梁式測力傳感器是通過檢測梁式彈性體上的剪應力（剪應變）實現(xiàn)測力的，其彈性體的結(jié)構(gòu)如圖3所示（為了便于說明問題，這里僅以一簡支梁式的彈性體為例）。
由材料力學中有關(guān)梁的應力分布知識可知，當梁承受橫向（彎曲）載荷時，在梁的中性層處剪應力（剪應變）最大。如果要檢測梁上的剪應變，應該在梁的中性層處貼片。為了提高貼片處的剪應力（剪應變）水平，可將彈性體兩側(cè)各挖一個盲孔（見圖3的2處），盲孔的中心應在中性層處。電阻應變片應該粘貼在盲孔的底面上，即圖3中工字形斷面（A－A剖面）的腹板上。
對于梁形構(gòu)件來說，其彎曲強度是主要矛盾。在一個梁滿足彎曲強度的情況下，剪切強度一般裕量較大。當在中性層附近挖盲孔后，該截面上腹板上的剪應力（剪應變）明顯提高，然而該截面上的彎曲應力提高很小。因此，剪切梁式彈性體應用局部應力集中方案后，被檢測的剪應變大大提高，使該測力傳感器的靈敏度顯著提高，而對整個梁的彎曲強度影響很小，使整個梁保持了良好的強度和剛度。
四、小結(jié)
在測力傳感器的設計過程中，如能自覺地按照上述兩種應力集中的原則，對彈性體進行結(jié)構(gòu)設計，就能夠收到提高測力傳感器的測力精度和測力靈敏度的良好效果。靈活、恰當?shù)剡\用應力集中的原則，對于設計和生產(chǎn)高性能的測力傳感器具有重要的實用意義。
參考文獻
[1].劉鴻文主編，《材料力學》，高等教育出版社，1979年
PrinciplesofConcentratingStressintheDesignofLoadCells
Abstract:Thispaperintroducestwoprinciplesofconcentratingstress,whichareusually
usedinthedesignofloadcells.Accordingtotheprinciplestheelasticbodiesofloadcells
近幾年來，國內(nèi)的高速電梯控制手段及群控管理方法、速度有著極大的革新。其控制技術(shù)可以歸整為八個發(fā)展階段，司機控制、按鈕控制、微驅(qū)動平層控制、集選控制、交流雙速控制、直流變壓調(diào)速控制、交流調(diào)速控制、PC－PLC控制;群控管理方法為兩類方式，區(qū)段分配方式及呼叫分配方式，這些技術(shù)使得電梯的群控體系控制特性有了極大改善;各國電梯廠商對于電梯速度也有著很大的競爭，現(xiàn)如今世界上電梯最高速可達到17．4m/s。
2光電開關(guān)與斯密特觸發(fā)器
2．1光電開關(guān)
大多傳感器電路所選擇的都是槽型光電開關(guān)，其一般會利用最標準的U型結(jié)構(gòu)，發(fā)射器及接收器在U型槽的兩邊，呈現(xiàn)出一個光軸，在對應檢測物通過該槽并隔斷光軸時，這時的光電開關(guān)就出現(xiàn)了開關(guān)量號。以槽式光電開關(guān)來講，其最適宜檢測運行速度較高的物體，其可以很好的分辨出透明及半透明的物體，應用安全性較高。因為光電開關(guān)輸出及輸入回路之間是利用電緣絕來實現(xiàn)的，因此其能夠應用于眾多的場合中。利用集成電路相關(guān)技術(shù)以及表面安裝工藝制作的新型光電開關(guān)元件，其具有較好的延時性、拓展性、外同步、抗干擾、可靠性、運行區(qū)域穩(wěn)定、自行診斷等諸多智能化功能。該光電開關(guān)屬于脈沖調(diào)制主動式的光電探測體系類電子開關(guān)，其主要應用的冷光源為紅外光、紅、綠、藍色光，可以不接觸、無損害、快速將各類固體、液體、透明體、黑體、柔軟體等物質(zhì)控制其對應狀態(tài)及動作。
2．2斯密特觸發(fā)器
該傳感器電路運用斯密特觸發(fā)器對相關(guān)電平進行轉(zhuǎn)換，便于很好地滿足于傳感器體系測量的精確度，斯密特觸發(fā)器自身有著巧妙的滯后特性數(shù)字化傳送門。其電路閥值電壓為兩個，正向閥值及負向閥值電壓;雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不相同，斯密特觸發(fā)器整體上是電平觸發(fā)型的電路，并不會依靠周邊較為陡峭脈沖。其屬于閥值開關(guān)電路的一類，輸入級輸出特性容易突變的門電路。該電路設計為阻隔相關(guān)輸入電壓所存在的微笑變化而導致的輸出電壓變化。斯密特觸發(fā)器對應輸出情況轉(zhuǎn)換是由其相關(guān)輸入信號變化而決定的，輸入信號在最低電平提高時，電路狀況變化中輸入的電平及其相關(guān)輸入信號是與高電平處降低中的輸入變化電平不相同的，其對應閥值電壓被稱之為正向閥值及負向閥值電壓。并且，因為斯密特觸發(fā)器之內(nèi)會有相關(guān)正反應，因此其輸出電壓所對應的波形通常較為陡峭。使用斯密特觸發(fā)器不止是可以把周邊轉(zhuǎn)化減緩信號所呈現(xiàn)的波形進行一定整形，最終形成邊沿陡峭型矩形波，并且能夠把其互相疊加于矩形波的脈沖高與低處電平噪音合理清除。
3電路模塊設計及實現(xiàn)
總體傳感器電路模塊呈現(xiàn)為:電梯脫離信號光電開關(guān)觸發(fā)信號觸發(fā)器終端處理元件。在相關(guān)電梯并未脫離緩沖器時，對應傳感器有一個小擋板位于槽型光電開關(guān)之間，合理得隔檔LED對三極管的觸發(fā)。在電梯脫離了相關(guān)緩沖器時，經(jīng)由安裝于傳感器間的對應彈簧將擋板有效的彈開，這時LED就能夠輕易的觸發(fā)光敏三極管。
4結(jié)語
關(guān)鍵詞：傳感器實驗；教學改革；創(chuàng)新人才培養(yǎng)
中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2007)18-31739-01
Experimental Teaching Reform of Sensors Course
ZHANG Huai,Chen Fu-jun,YANG Yong,LIANG Feng
(Huanghuai University,Zhumadian 463000,China)
Abstract:Sensors is a most practical course, the students can verify theories through an experiment, and can strengthen the cultivation of the student’s innovation and practice ability. Aimed at the present situation of the experimental teaching for sensor of our university, we do some beneficial reform and the aim is to improve the practice ability of students and cultivate the innovative talents.
Key words:sensor experiment;teaching reform;cultivation of innovative talents
傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代三大信息技術(shù)之一，廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，是測控過程中反映被測對象、保證控制質(zhì)量的重要一環(huán)，也是自動化、測控技術(shù)、機械電子等專業(yè)的一門實踐性和應用性很強的基礎(chǔ)課。隨著計算機技術(shù)，信息技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與應用也飛速發(fā)展，而傳統(tǒng)的傳感器教學尤其是實踐環(huán)節(jié)的教學迫切需要改革創(chuàng)新。為此，針對我校傳感器實驗教學的現(xiàn)狀做一些有益的改革，旨在提高學生對傳感器原理及特性的理解并進而達到設計和應用的目的，培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才。
1 我國傳感器及實驗教學的發(fā)展及需求
傳感器及智能儀器儀表自上個世紀60年代以來一直作為自動化、測控技術(shù)、機械電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程，特別是進入80年代后，國際上出現(xiàn)了“傳感器熱”：日本把傳感器技術(shù)列為80年代十大技術(shù)之首，美國把傳感器技術(shù)列為90年代的關(guān)鍵技術(shù)，我國把傳感器技術(shù)列為“八五”、“九五”的重點研究項目之一；并且2003年3月國家教育部緊跟國際科技發(fā)展步伐，已將傳感器的教學納入到普通高級中學物理課程的教學體系中。由此可見，傳感器在當今科技發(fā)展及國民教育體系中所處的重要地位。而對于傳感器本身又是一門實踐性和應用性很強的學科，而且傳感器實驗教學是整個教學環(huán)節(jié)中的一個重要子系統(tǒng)，因此，加強傳感器實驗教學以適應我國高等教育的任務――培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力的需求。
2 傳感器實驗教學的現(xiàn)狀
長期以來，理論教學重于實驗教學的觀念根深蒂固，影響了傳感器教學的效果。傳統(tǒng)的傳感器教學尤其是實踐性環(huán)節(jié)迫切需要改革創(chuàng)新。傳統(tǒng)的傳感器實驗教學的問題主要反映在以下幾個方面：
2.1教學中存在不重視實驗的傾向
實驗教學是理論知識和實驗活動、間接經(jīng)驗與直接經(jīng)驗、抽象思維和形象思維、傳授知識與訓練技能相結(jié)合的過程。但是，對傳感器實驗教學現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果表明，目前很多高校在教育觀念上，仍存在著重理論、輕實踐，重理論知識傳授、輕動手能力培養(yǎng)的傾向，在課程體系上，實驗教學少有獨立的教學體系以及相應的學分評價體系，實驗課從屬于理論課，實驗內(nèi)容含在理論課程中，實驗學時與內(nèi)容的開設隨意性強，隨意削減實驗學時成為普遍現(xiàn)象，實驗課時同理論課時比例不太合理等問題，從而大大影響了學生對傳感器特性的理解及在傳感器應用中解決實際問題能力的培養(yǎng)。
2.2實驗項目驗證型多于設計型
目前，我系使用的傳感器實驗裝置是由浙江高聯(lián)科技開發(fā)公司提供的CSY2000D型傳感器檢測技術(shù)實驗臺，它所提供的實驗項目大多為驗證性實驗，雖然各傳感器透明式封裝比較直觀，但缺乏設計性、綜合性要求，與工程實踐脫節(jié)嚴重。
2.3教學方式單調(diào)枯燥
傳統(tǒng)的傳感器實驗教學是注入式的，從實驗原理、步驟、實驗注意事項，甚至連實驗結(jié)果都面面俱到地由老師講解，然后由學生“按方抓藥”地操作。這使學生處于消極被動的地位，影響其學習主觀能動性的發(fā)揮，嚴重阻礙了學生的全面綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。
2.4實驗經(jīng)費投入不足
實驗室建設對各高校來說是一項重要的投資，特別是對于一般的普通高校在資金有限的情況下，對實驗室的建設投入更少；而傳感器又是精密測量儀器，一般單個售價都在50元以上，我系于2003年購置的6臺CSY2000D型傳感器檢測技術(shù)試驗臺就高達1.83萬元/臺。因此，在資金緊張的情況下，使得高校擴招后由原來的一名學生一臺設備，改為2～3人一組，這樣在實驗過程中往往一個學生做，同組人旁觀，教學效果很不理想。
3 改革與探討
實驗教學是高等院校教學的重要組成部分，是對課堂所學理論知識的直觀認識和拓展應用，是學生理論聯(lián)系實際的重要途徑，它在培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面有著不可替代的重要作用。因此傳感器實驗教學必須從理論教學中解脫出來，實驗教學應與本課程特點緊密結(jié)合，做一次全面的改革：
3.1深化傳感器實驗教學改革，著力培養(yǎng)學生動手能力
為推進我國全面的素質(zhì)教育，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力，根據(jù)傳感器實驗教學的現(xiàn)狀和面臨的問題，充分調(diào)研，對目前的傳感器實驗教學進行全面改革：從本科培養(yǎng)計劃的約束，到實際實驗教學的實施；從教師的教學觀念，到學生的實驗的目的等各方面都要充分認識到傳感器實驗在傳感器教學中的重要性，在實際實驗教學中不斷培養(yǎng)學生獨立的操作動手能力。
總體上說，注重引導，加強實驗考核，使學生普遍對實驗重視程度提高，能主動預習準備實驗，甚至帶著問題進實驗室，學生的動手能力明顯增強。
3.2切實加強傳感器實驗室基礎(chǔ)建設和科學管理制度
實驗器材是開展實驗教學活動的基礎(chǔ)平臺，雖然傳感器實驗器材價格相對較貴，但也應逐漸增加傳感器實驗室經(jīng)費的投入，除了確保正常的教學實驗所需各項經(jīng)費外，還要投入一定經(jīng)費改進和完善現(xiàn)有儀器設備。同時，還要加強實驗室科學管理制度的建設，現(xiàn)在各高校的實驗室管理專職人員緊缺，一般由理論課老師來擔任實驗的教學和實驗室管理，其間存在管理漏洞，儀器損壞無法及時維修，嚴重影響實驗教學的開展。因此，傳感器實驗室要根據(jù)本學科的特點和自身條件建立切實可行的實驗室管理制度和實驗操作規(guī)程，逐漸形成較為完整的實驗教學管理和保證體系。
3.3加快傳感器實驗教材的編寫
實驗教材是提高實驗教學質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。傳感器實驗是近幾年才在各高校普遍開設，據(jù)調(diào)查現(xiàn)階段各高校采用的傳感器實驗教材都是在廠家提供的儀器使用指南的基礎(chǔ)上編寫的講義，缺乏規(guī)范性、普適性。根據(jù)高校實驗教學改革和本學科發(fā)展的現(xiàn)狀更新充實實驗教學內(nèi)容和教學方法，編寫配套的、高水平的傳感器實驗教材是刻不容緩的。
3.4改革傳感器實驗教學的內(nèi)容及方法
3.4.1實驗教學內(nèi)容的改革
為了突出實踐教學，培養(yǎng)學生的應用意識、工程實踐能力，使學生“消化理論、發(fā)展能力”我們對該課程的實驗內(nèi)容進行了較大改革：一方面保留了一些基礎(chǔ)驗證性實驗，如電阻應變、電渦流位移特性、光纖傳感器位移特性實驗等，使學生通過這些實驗，理解傳感器的基木原理和特性，消化教學內(nèi)容；另一方面開設一些設計性實驗，如我們利用電阻應變片設計了數(shù)字電子秤，以及結(jié)合單片機知識設計出自動避障小車和全自動洗衣機控制器等，通過學生自己制作出一些小產(chǎn)品模型，使學生進一步認識到課堂中學過的傳感器在其中的限位、距離檢測等作用。在教學過程中除了要求學生寫出實驗報告外還要求撰寫設計論文，這樣更能夠?qū)⒃O計思想、方案論證、技術(shù)路線等一些列創(chuàng)造性工作反映出來，同時還可鍛煉學生的總結(jié)能力，為將來撰寫科技論文奠定基礎(chǔ)。
3.4.2實驗教學方法的改革
實驗課是驗證理論、應用理論、鍛煉學生動手能力的重要環(huán)節(jié)。在實驗指導的方法上,我們進行了一些改革探索，在實驗指導過程中,注意因材施教,采用啟發(fā)式教學方法,提示學生是否有更好的改進方法等等。如電阻應變實驗中對電子秤標定時反復調(diào)節(jié)Rw3、Rw4直至托盤空時電壓表顯示為0v、200g砝碼時顯示為0.2v。反復調(diào)節(jié)最終是可以達到要求，當學生反復調(diào)節(jié)幾次沒達到預期要求時可能不耐煩了，這時提示學生根據(jù)電阻應變式傳感器的測力原理及輸入輸出特性――線性關(guān)系，分析電路中Rw3、Rw4的作用可以看出Rw3起調(diào)節(jié)放大倍數(shù)――即線性關(guān)系中的斜率、Rw4起零點參考電壓調(diào)節(jié)――線性關(guān)系中的初始值的作用，經(jīng)過這樣比較對應后，很快可以得出這樣的快速調(diào)節(jié)方法：當托盤空時，調(diào)節(jié)Rw4使電壓表顯示為零；然后將10個砝碼全放入托盤，調(diào)節(jié)Rw3使電壓表顯示為0.2v；然后去掉全部砝碼記下此時電壓表讀數(shù)v0 (如0.002v)；再將砝碼全放入托盤調(diào)節(jié)Rw4使電壓表顯示為0.2-v0（如0.198v）；最后再調(diào)節(jié)Rw3使電壓表顯示為0.2v即可。通過像這個實驗一樣的實驗教學方法改革,我們認識到如果在每次實驗指導中都能夠采用啟發(fā)式的方法啟迪學生，發(fā)展學生的發(fā)散思維能力，那么一定能使學生舉一反三，達到學以致用的目的，同時還可激發(fā)學生的創(chuàng)新興趣。
3.5建立科學的實驗考核方案
成績評定方式對于實驗教學十分重要，它是這次傳感器實驗教學改革實施的總體指揮棒。學生最關(guān)心的就是成績，我們要充分利用這一法寶設計較為合理的考核方案，既能達到考察的目的，同時使學生通過試驗不僅能很好理解理論知識，還可以培養(yǎng)學生的動手、創(chuàng)新能力。為此，將成績評價定位在是否理解并靈活應用所學知識，以及鼓勵創(chuàng)新思想和創(chuàng)新實踐過程，而不僅僅是結(jié)果正確與否。在總結(jié)多年實驗課經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用兩種結(jié)果驗收相結(jié)合的形式，一種形式是當面驗收，通過演示和口頭介紹展示實驗過程及實驗效果，并完成高質(zhì)量的實驗報告（包括利用VC、vb、matlab等軟件實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的分析及相應的改進措施和仿真），這種方式是學生實踐活動結(jié)果的直觀體現(xiàn)；另一種形式是提交撰寫設計論文，相對與前者，這種形式更能夠?qū)⒃O計思想、方案論證、技術(shù)路線等一些列創(chuàng)造性工作反映出來，同時還可鍛煉學生的總結(jié)能力，為將來撰寫科技論文奠定基礎(chǔ)。學生的最終實驗成績是這兩部分成績的綜合。
4 結(jié)束語
關(guān)于傳感器實驗課教學改革涉及面廣，環(huán)節(jié)多，是個比較復雜的問題。我們只是在這方面做了一些有益的嘗試，并取得了一定的成功經(jīng)驗。我們改革的目的很明確，就是要讓學生感覺到每一個實驗都是一次挑戰(zhàn)，要想取得成功必須要有充分的準備、嚴謹?shù)膽B(tài)度、細致的操作和靈活的思維。每一次實驗的完成，不僅要讓學生的實驗能力得到充分的訓練和提高，更重要的是要激發(fā)學生的主觀能動性和創(chuàng)造性。只有這樣才能為國家培養(yǎng)出具有較高的全面素質(zhì)的一流人才。
參考文獻：
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關(guān)鍵詞:過程控制;人工免疫網(wǎng)絡;傳感器
生產(chǎn)實踐表明測量裝置失效是導致連續(xù)工業(yè)過程控制間斷的重要因素之一[1]。因此，對連續(xù)工業(yè)過程進行傳感器置信度評估尤為重要。目前常用的方法有貝葉斯估計法、DS證據(jù)推理法、自適應神經(jīng)網(wǎng)絡模糊推理方法(ANFIS)和人工免疫網(wǎng)絡法等[2，3]。其中，連續(xù)生產(chǎn)過程中的物質(zhì)能量流模型和人工免疫網(wǎng)絡傳播模型相類似，所以利用這種關(guān)系進行傳感器置信度評估已成為近年來自動化領(lǐng)域研究的熱點。目前基于人工免疫網(wǎng)絡的傳感器置信度評估方法主要有:以Ishida為代表的動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡和以Leonard M.Adleman為代表的基于DNA的陰性選擇[4-6]。而前者已成功地應用于水泥生產(chǎn)過程的設備傳感器置信度評估。但是Ishida動態(tài)識別方法中只能處理傳感器關(guān)系確定的情況。因此，本文引入了傳感器關(guān)系的非確定性約束，用于連續(xù)生產(chǎn)過程傳感器之間為非確定關(guān)系情況下的傳感器置信度評估。
1 傳感器置信度評估算法Ishida動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡是在N.K.Jerne系統(tǒng)級識別方法基礎(chǔ)上提出的。N.K.Jerne認為在免疫網(wǎng)絡理論中，免疫系統(tǒng)由識別集合組成，識別集合中的一些抗原可以被其他抗原激活，并產(chǎn)生抗體;而這些抗體又可以激活其他的抗原。通過這種方式，刺激可以從一個抗原傳播到另外一個抗原，直至影響整個網(wǎng)絡。對刺激信號的辨識不是一個抗原單獨完成的，而是通過抗原相互連接的網(wǎng)絡進行的[7，8]。Ishida動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡方法利用傳感器之間的約束條件為每個傳感器建立測試單元。在用動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡進行傳感器置信度評估時，網(wǎng)絡主體與傳感器相對應，免疫細胞的濃度與傳感器的可靠性相對應，網(wǎng)絡平衡狀態(tài)與傳感器正常狀態(tài)相對應，外部刺激信號和測試單元的測試結(jié)果相對應。因此，這個網(wǎng)絡中的每一個傳感器不僅測量工業(yè)過程的物理量，還要評估其他傳感器的可靠性。在同一工業(yè)過程中，溫度、壓力、流量等傳感器的測量值之間既互相獨立又互相聯(lián)系;只要利用簡單的工業(yè)過程知識就能建立起這些傳感器之間具有確定性的約束，所以這種方法實現(xiàn)起來較為簡單。這種模型可用圖1的結(jié)構(gòu)表示。圖1 動態(tài)人工免疫網(wǎng)絡圖中是一個包含n個節(jié)點的人工免疫網(wǎng)絡Nais(p(i)ais)，i =1，…，n。其中p(i)ais是網(wǎng)絡的第i個節(jié)點， p(i)ais= {Aais，I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais}，Aais表示網(wǎng)絡中的抗體，I(i)ais表示第i個抗體的獨特位。在Ishida的方法中，p(i)ais與工業(yè)現(xiàn)場中的第i個傳感器的邏輯位置相對應，抗體Aais與傳感器實體相對應，抗體Aais的濃度與傳感器的可信度對應，獨特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais對應m個測試單元。對Aais(Aais∈p(i)ais)的刺激由第i個傳感器和其他傳感器建立的測試單元對應的獨特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais產(chǎn)生。但是，測試單元存在如下缺點[3]:測試單元的結(jié)果只能用0，1，-1來表示，不能利用人工經(jīng)驗等一些非確定知識。針對這些缺點本文進行了改進，設計了新型的測試單元。針對Ishida測試單元存在的不足，本文設計了模糊測試單元，使其能夠反應傳感器數(shù)值間的非確定性關(guān)系。在動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡中，獨特位Iais實際上就是傳感器數(shù)值Sj和Sk的關(guān)系的體現(xiàn)，而這種關(guān)系用在模糊論域可分為5個等級:{Sj小于Sk，Sj小于等于Sk，Sj在Sk的附近變化，Sj大于等于Sk，Sj大于Sk}。Sj和Sk之間的模糊關(guān)系則代表了動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡中抗體之間刺激的強度。設在t時刻，抗體Aais對應的傳感器j通過獨特位I(jk)ais收到來自k傳感器的刺激為I(jk)ais(t)，則其隸屬度為I(jk)ais(t) =∪5l=112πσaisle-(sj-sk-μaisl)22σ2aisl(1)式中I(jk)ais(t)∈(0，1)，兩個數(shù)列之間的關(guān)系是互易的，所以I(jk)ais(t)=I(kj)ais(t);ηaisl，σaisl(l=1，2，3，4，5)是不同等級的隸屬度函數(shù)的中的常數(shù)，由Sj和Sk之間的統(tǒng)計關(guān)系決定。由外部刺激引起抗體濃度ri產(chǎn)生變化，可表示為dr(i)aisdt=∑nj=1R(i)aisI(ij)ais∑ni=1R(i)aisξais+r(i)ais(1-ξais) (2)R(i)ais=2arctan(qais·r(i)ais)π(1-Rd)+Rd(3)式中Rd∈(0，1)，經(jīng)驗值取0.001;R(i)ais表示節(jié)點p(i)ais對應的第i個傳感器的可信度，R(i)ais越大，傳感器的可信度越高，由于qais·rais>0，所以Rais∈(Rd，1);ξais為靈敏度系數(shù);qais是網(wǎng)絡平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)系數(shù)，主要作用是傳感器網(wǎng)絡在正常時的可信度調(diào)節(jié)在一個合適的范圍內(nèi)。
轉(zhuǎn)貼于 2 參數(shù)確定的方法在本算法中，需要確定的參數(shù)有兩類:一類是式(1)影響對獨特位刺激程度的參數(shù)μais和σais，另一類是影響網(wǎng)絡平衡狀態(tài)的參數(shù)ξais和qais。參數(shù)μais和σais主要表征了和獨特位對應的測試單元中兩個傳感器之間的關(guān)系。這種關(guān)系通常是生產(chǎn)工藝所要求的(或者工業(yè)過程特性決定的)。要確定參數(shù)μais和σais，首先要獲取這兩個傳感器大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后以它們相同時刻測量值的差作為樣本。μais是該樣本的正態(tài)分布的均值，σais是該樣本的正態(tài)分布的均方差。參數(shù)ξais和qais影響網(wǎng)絡的平衡狀態(tài)，如圖2所示。從圖中可以看出:ξais越大，網(wǎng)絡對外界的反映就越靈敏，但容易產(chǎn)生誤報。qais越大Rais正常狀態(tài)下就越大;但是，qais過大會造成測量失效狀態(tài)下的可信度變大，容易發(fā)生漏報。參數(shù)ξais和qais可以通過學習得到。在傳感器正常工作狀態(tài)下，qais可通過以下公式得到qais(t+1) = qais(t)+αais(Rais-R0) (4)式中αais為步長系數(shù);R0為qais調(diào)節(jié)時傳感器正常狀態(tài)下置信度的平均值，一般可取0.7。在某個時刻，1732傳 感 技 術(shù) 學 報2008年能比較試驗。ANFIS結(jié)構(gòu)如圖4所示，酵罐三個溫度傳感器，兩個作為輸入，另外一個作為輸出，對傳感器輸入值的隸屬度劃分為兩個區(qū)間:正常和異常。經(jīng)過訓練以后和分別對應于兩個輸入傳感器的“標準可信度”。圖4 ANFIS的結(jié)構(gòu)例如，當對于罐頂傳感器的置信度評估時，建立2個ANFIS:ANFIS-1:輸入為罐頂傳感器和罐中部傳感器，輸出為罐底傳感器，w(1)top表征罐頂傳感器的置信度。ANFIS-2:輸入為罐頂傳感器和罐底傳感器，輸出為罐中部傳感器，w(2)top表征罐頂傳感器的置信度。那么，罐頂傳感器的置信度為w(1)top和w(2)top的平均值。其余兩個傳感器的評估方法也同樣。AN-FIS實驗使用和人工免疫網(wǎng)絡實驗相同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)窗口大小為30 ks。由于兩個實驗中的置信度沒有可比性，人工免疫網(wǎng)絡算法中的置信度來源于人工經(jīng)驗，ANFIS的標準的可信度來源于歸一化的權(quán)系數(shù)。因此，論文比較的是:傳感器“故障”引起的其置信度變化率ηt，ηt=| Rm-Ra|Rm(6)式中:Rm表示正常狀態(tài)下的置信度，Ra表示異常情況下的置信度。對比實驗的結(jié)果如表2所示，從中可以看出，兩種方法結(jié)果是一致的，而當偏差數(shù)據(jù)較大時，ANFIS方法ηt的較大，對故障數(shù)據(jù)比較敏感，在偏差較小時，人工免疫網(wǎng)絡算法的ηt較大，對故障數(shù)據(jù)比較敏感。因此，人工免疫網(wǎng)絡算法適用的數(shù)值范圍更廣一些。表2 對比實驗的ηt結(jié)果傳感器偏差數(shù)據(jù)/℃人工免疫網(wǎng)絡方法ANFIS方法罐頂傳感器-0.50 34.6% 57.7%罐中部傳感器-0.30 18.1% 4.8%罐底傳感器-0.15 6.4% 0.2%
3 結(jié)論論文研究了連續(xù)過程中傳感器具有非確定關(guān)系情況下的傳感器置信度評估。實驗證明:①具有模糊測試單元的人工免疫網(wǎng)絡能夠使用人工經(jīng)驗對傳感器的數(shù)據(jù)置信度進行評估;②具有模糊測試單元的參數(shù)物理意義明顯、確定方法簡單易行。但是，論文中的算法在某些情況下抗干擾能力較弱。例如，圖3(c)所示情況應用單條件的閥值比較的方法輸出的結(jié)果不穩(wěn)定，論文將用復合的判決條件的方法在此深入研究。
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關(guān)鍵詞：虛擬儀器，發(fā)動機，扭矩測量，功率測量
1引言
近年來，隨著中國的汽車銷售業(yè)進入爆炸式的增長，汽車走進了尋常百姓家。論文大全，扭矩測量。2009年，中國乘用車銷售首次超過美國，成為世界第一大汽車市場。在一些大城市，汽車的人均占有量很高，如廣州平均14人擁有一輛汽車，因此汽車的研發(fā)、生產(chǎn)銷售乃至維修都進入黃金發(fā)展時期。而汽車發(fā)動機無論是研發(fā)乃至維修階段，其中主要參數(shù)就是發(fā)動機的功率和扭矩，它直接決定著汽車的使用性能。再好的汽車，若發(fā)動機的功率和扭矩達不到要求，對汽車使用者有最直接的影響。在汽車的維修和二手車交易過程中，發(fā)動機的功率和扭矩能否達到發(fā)動機所設計的額定狀態(tài)，通常是一些設備所不能檢測的，“亞健康”的發(fā)動機對汽車的使用性能有很大影響。這就需要一種設備可以檢測出發(fā)動機在各種工作狀態(tài)下的扭矩和功率是否能夠達到要求，為發(fā)動機的研發(fā)與檢測維修提供便利。
基于上述原因，筆者設計一款發(fā)動機的工況測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用ADLINK公司的工控機和DAQ2214的數(shù)據(jù)采集卡，以虛擬儀器Lab VIEW為開發(fā)平臺。該系統(tǒng)具有可視化效果強，控制方式和數(shù)據(jù)都可以虛擬顯示，省去很多硬件設備，無縫集成強，隨時可以添加其它測量參數(shù)。電渦流緩速器作為負載，可以模擬實現(xiàn)發(fā)動機的各種運行工況。采用拉壓傳感器進行數(shù)據(jù)測量，操作者可根據(jù)需要自行選擇測試方式，測量的數(shù)據(jù)可以實時保存，需要時還能繪制各種圖表。論文大全，扭矩測量。
2 測量原理
扭矩測量的基本方法有能量轉(zhuǎn)換法、傳遞法和平衡力法。能量轉(zhuǎn)換法按照能量守恒定律測量扭矩，通過測量其他與扭矩有關(guān)的能量系數(shù)來確定被測量的扭矩的大小；傳遞法是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時所產(chǎn)生的物理參數(shù)的變化（變形、應力或應變）來測量扭矩的；平衡力法是根據(jù)勻速運轉(zhuǎn)發(fā)動機的傳動軸對外輸出一定大小的轉(zhuǎn)矩時，機殼上必定作用一個大小相等、方向相反的平衡力矩來實現(xiàn)測量扭矩。能量法的間接測量因素太多，且誤差大，傳遞法比較復雜。因此根據(jù)汽車發(fā)動機性能試驗方法的要求，本設計采用平衡力法測量發(fā)動機的扭矩，而功率則根據(jù)扭矩轉(zhuǎn)化過來。具體為：電渦流緩速器作為制動負載與發(fā)動機相連，在電渦流緩速器的定子上安裝一個長75厘米的標準力臂，力臂的另一端連著YZC-516 S型拉壓傳感器。當發(fā)動機工作時，華泰電源給緩速器加電流，緩速器的定子產(chǎn)生電渦流，由于轉(zhuǎn)子是帶磁性的鑄鐵，運動時產(chǎn)生切割磁力線的制動力，從而實現(xiàn)對發(fā)動機施加負載的作用。由力的作用原理可知轉(zhuǎn)子受到制動力，定子就受到反作用力，這反作用力就作用在拉壓傳感器上。論文大全，扭矩測量。因此將拉壓傳感器上受到的力測出后乘以力臂就是發(fā)動機的輸出扭矩，再通過公式轉(zhuǎn)化求出功率。
3 硬件選擇、測量原理及傳感器標定
本系統(tǒng)的加載設備是M7-35型電渦流緩速器，其最大扭矩3500N·m，額定電流15A，額定電壓200V。電源設備系統(tǒng)采用華泰WYK-20030K直流穩(wěn)壓電源，為電渦流緩速器提供加載電流，最大輸出電流30A，最大輸出電壓200V。系統(tǒng)通過軟件自動實現(xiàn)從 0-5V控制電壓對應電源的電流輸出0-30A，實現(xiàn)對電渦流緩速器加載。采用Lab VIEW中的子VI模擬電壓輸出，可以設置成自動輸出或手動輸出。在處理數(shù)據(jù)時，結(jié)合0-5V對應的0-30A電流，換算為對應的函數(shù)關(guān)系式，從而實現(xiàn)對測功機系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)開發(fā)的過程設置兩種加載模式：當系統(tǒng)手動進行測量時，可以通過手動操作給電渦流緩速器加載，從而實現(xiàn)恒扭矩試驗；當系統(tǒng)選擇自動控制時，系統(tǒng)自動給電渦流測功機施加負載。
轉(zhuǎn)速測量選用磁電式傳感器，在發(fā)動機的輸出軸上安裝一個均布60個齒的轉(zhuǎn)盤，把傳感器安裝在轉(zhuǎn)盤的齒的正對面，使傳感器能在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時采集到交變的毫伏級的電壓信號，經(jīng)過整形放大后轉(zhuǎn)化為0-5V的交變信號，運用Lab VIEW開發(fā)平臺，用軟件的形式進一步整理濾波后，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€0-5V的方波信號。運用Lab VIEW程序中的SINAD Analyzer子VI結(jié)合設置的采樣率的設置，得出相應的頻率f，轉(zhuǎn)速n可以通過公式（1）求出相應的發(fā)動機的轉(zhuǎn)速值。
（其中為齒數(shù)）（1）
發(fā)動機油門的控制是通過步進電機的正、反轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，通過位移傳感器測量油門的開度，通過接近開關(guān)控制油門的最大及最小位置，利用軟件實現(xiàn)自動返回運行或自動停止。
拉壓傳感器的數(shù)據(jù)采集，當發(fā)動機的輸出扭矩與電渦流緩速器制動負載平衡時，系統(tǒng)對傳感器的壓力就是制動力，由于扭矩傳感器輸出的是毫伏級電壓信號，容易受到外界干擾且不便數(shù)據(jù)采集處理，因此采用隔離放大模塊，把輸出信號進一步放大，這時經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡后，就可以讀出單位扭矩下所對應的電壓信號，扭矩由公式（2）求出（為扭矩，U為所讀電壓，a、b為參數(shù)）
=a*U+b （2）
由于轉(zhuǎn)速n已經(jīng)測量出，功率參數(shù)Pe也可以根據(jù)公式（3）求出
（3）
由于傳感器的電壓輸出信號經(jīng)過隔離放大模塊的隔離放大，需要重新對其所對應量程及所對應的輸出到數(shù)據(jù)采集卡的電壓進行標定。在進行扭矩標定時，在電渦流緩速器的標準力臂的另一端加平衡的等長的標準臂，相當于等力臂杠桿，用可以上下自由拉動且能自鎖的臺架作為加載裝置，本試驗使用浙江藍箭稱重技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電子吊秤OCS-XZ-AAE讀取所加力的大小（液晶顯示電子讀數(shù)，精度5級，最小顯示值0.5kg,最大量程1000kg）。論文大全，扭矩測量。這樣每一個加載力就有相應的一個電壓值與其對應，連續(xù)加載直到達到發(fā)動機的最大扭矩值，運用Excel進行標定分析，既可求出公式（2）中的參數(shù)，代入公式（3）就可求出發(fā)動機的功率。
4 系統(tǒng)設計
根據(jù)GB/T 18297—2001汽車發(fā)動機性能試驗方法的要求，在進行功率、負荷等特性試驗時，筆者設計幾個子程序。運用Lab VIEW進行軟件設計，兼顧可靠性等，可分為試驗設置、主程序、通道及參數(shù)設置。試驗設置包括發(fā)動機的參數(shù)設置、電渦流緩速器的參數(shù)設置、基本參數(shù)設置如試驗人員、試驗條件等數(shù)據(jù)。主程序見圖（1）分為：系統(tǒng)總開關(guān)控制、油門控制、報警裝置、PID參數(shù)設置以及圖表繪制等設置。系統(tǒng)總開關(guān)控制整個系統(tǒng)，油門控制是控制發(fā)動機油門，系統(tǒng)出現(xiàn)問題時主界面會自動報警。PID參數(shù)具體程序模塊見圖（2）：主要是實現(xiàn)對整個發(fā)動機扭矩和功率的自動測量。通道及參數(shù)設置模塊是數(shù)據(jù)采集通道及傳感器參數(shù)設置的窗口，通過通道設置，可以規(guī)定數(shù)據(jù)采集卡的采集通道所對應的傳感器名稱，并對傳感器進行標定。論文大全，扭矩測量。
圖（1）
圖（2）
5 結(jié)語
本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對發(fā)動機的扭矩和功率的穩(wěn)定測量。在汽車發(fā)動機性能試驗方法的要求下，可以實現(xiàn)對發(fā)動機不同工況下的測試，并保存所測數(shù)據(jù)或繪制各種工況下的圖表。論文大全，扭矩測量。另外還可根據(jù)測試系統(tǒng)的要求，添加發(fā)動機的其他工況數(shù)據(jù)。
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關(guān)鍵詞：虛擬儀器，發(fā)動機，油耗儀，發(fā)動機工況
0. 引言
隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，汽車逐漸走進了千家萬戶。2009年，中國乘用車產(chǎn)銷分別達到1038.38萬輛和1033.13萬輛，同比增長54.11%和52.93%。中國乘用車銷售首次超越千萬輛門檻，超過美國，成為世界第一大汽車市場。據(jù)統(tǒng)計廣州平均十四人一輛車，并且隨著經(jīng)濟的持續(xù)增長及國家政策的支持，國人購買汽車的數(shù)量會進一步增長。另一方面中國2009年進口石油的數(shù)量為世界第二位，且隨著外部條件的影響，油價持續(xù)走高，國內(nèi)環(huán)保意識增強，對汽車的排放及耗油量有進一步要求，“既叫馬兒跑的快，又叫馬兒少吃草”，在這種要求下，對發(fā)動機的耗油量提出了嚴格的要求，國內(nèi)汽車普遍采用百公里耗油量。為了得出準確的發(fā)動機耗油量，對發(fā)動機產(chǎn)品的開發(fā)乃至維修都起到很關(guān)鍵的作用，因此本文提出以下課題：運用電渦流緩速器做負載，利用ADLINK公司的工控機和數(shù)據(jù)采集卡，以Lab VIEW軟件作為開發(fā)平臺，在發(fā)動機臺架上測量其各種工況參數(shù)，從而為發(fā)動機產(chǎn)品開發(fā)、檢測、維修提供依據(jù)。在發(fā)動機測試的各種參數(shù)中，耗油率和耗油量是發(fā)動機測試的重要參數(shù)，它們的大小決定著發(fā)動機的氣體排放是否達到環(huán)保要求，綜合特性是否達到國家標準。而從發(fā)動機萬有特性圖中的等耗油率曲線中也可以很容易找到發(fā)動機更加經(jīng)濟的負荷和轉(zhuǎn)速。燃油消耗量的測量是發(fā)動機性能試驗的重要組成部分，其測量精度直接影響發(fā)動機實際性能指標、各項技術(shù)參數(shù)確定和主要附件的選配及調(diào)整等。
1. 硬件系統(tǒng)的設計
1.1傳感器的選擇
發(fā)動機的耗油量有多種測量方式，通常有容積法、重量法等。根據(jù)發(fā)動機國標的試驗方法，需要在穩(wěn)定的工況下進行測定，容積法就是測量單位時間燃料容積的變化，再通過換算得出耗油量；另一種是稱重法，通過連續(xù)采集測量燃料的重量，計算出單位時間內(nèi)的重量變化得出耗油量。由于燃料的密度有差別，同種燃料的密度受溫度影響也會發(fā)生變化，因此采用測量體積的方法誤差較大，本系統(tǒng)采用的是稱重法測量單位時間的燃料消耗的質(zhì)量。論文參考網(wǎng)。稱重傳感器基于重量與電壓的關(guān)系設定的。傳感器是通過發(fā)動機的燃油消耗，改變油耗儀的重量，從而反映在電壓信號的變化上。由于稱重傳感器為毫伏級電壓信號，因此在信號采集時，通過一個隔離放大模塊，它一方面可以隔離外界信號的干擾，另一方面可以放大信號，使信號大小的變化，更加明顯地反應在一定的電壓范圍內(nèi)，便于信號采集與處理，由于油耗儀工作的外部環(huán)境存在較大的電磁干擾（電渦流緩速器工作電流很大），隔離放大模塊兩端需加裝電容，這樣濾波效果會更加明顯。另在發(fā)動機工況試驗臺中需配合測量耗油量的其它傳感器如扭矩轉(zhuǎn)速等。
1.2油耗儀工作原理
本系統(tǒng)采用油耗儀懸掛在稱重傳感器下，進油管連接到主油箱，出油管連接到發(fā)動機。進油管上轉(zhuǎn)有兩位兩通電磁閥，通過繼電器控制，可以使油路控制通油與截止狀態(tài)，及充油狀態(tài)和測量狀態(tài)。系統(tǒng)設置繼電器通控制電磁閥的通斷，可以選擇自動控制狀態(tài)，[i]也可選擇手動控制狀態(tài)，達到油路的控制效果。油耗儀上設置指示燈，通過觀察指示燈，可以很容易的觀察到油路的通斷，進而實現(xiàn)智能控制。在系統(tǒng)工作的過程中，有
有公式（1）可以通過密度轉(zhuǎn)換成質(zhì)量，通過公式（2）可以得出燃料的消耗率。根據(jù)實驗要求，要在發(fā)動機運行穩(wěn)定一分種后測量數(shù)據(jù)，且測量燃料消耗的時間不小于20s，根據(jù)以上要求，設置數(shù)據(jù)采集卡的采集一次的時間可以分為1秒、500毫秒、100毫秒不等，然后根據(jù)不同的采樣時間，設置不同的參數(shù)，最終得出發(fā)動機在不同狀態(tài)下的耗油參數(shù)。
1.3傳感器的標定
本試驗所采用的稱重傳感器是基于重量與電壓信號的關(guān)系，因此需要通過試驗找出其線性關(guān)系。將幾次試驗所采集出的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成線形關(guān)系時，方程往往不能較好的反應出真實的線形關(guān)系比，因此這時需要盡可能多的測量幾組數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)對傳感器進行標定。如圖（1）所示
圖（1）
2. 軟件開發(fā)
2.1程序的編制及數(shù)據(jù)處理
為了便于觀察測得數(shù)據(jù)，我們在程序的編制過程中，添加了Waveform Chart圖表，這樣不但可以顯示時時的測量數(shù)據(jù)，還能保留歷史記錄，可以更清楚的觀察數(shù)據(jù)變化的曲線圖。為了使測得的數(shù)據(jù)供以后觀察，以方便了解發(fā)動機的性能，我們把所測數(shù)據(jù)保存在EXCEL文檔里，添加實驗時間等數(shù)據(jù)，這樣我們觀察時可以清楚的看到任何時間上的試驗結(jié)果。為了更好的反映出發(fā)動機性能的好壞，有時需要繪制發(fā)動機功率特性等各種圖表，這時需要把保存的數(shù)據(jù)讀取出來，繪制成圖表的形式，本試驗設置了這項功能采用XY Graph顯示出繪制的圖表，具體如圖（2）所示程序前面板：
圖（2）
2.2安全性控制
由于發(fā)動機功率大小不同，耗油也不同，在測試油耗時，需要關(guān)閉電磁閥，油耗儀與油箱處于斷開狀態(tài)，這樣長時間工作，有可能消耗完油箱里的油，使發(fā)動機熄火。這時就要設置安全措施，當油耗儀里的油量較少時，自動報警，在程序前面板上閃爍，提醒操作者打開電磁閥，或使其自動打開電磁閥使其通油，也可以使發(fā)動機自動熄火。這樣就有利于整個試驗系統(tǒng)的安全操作。
3. 抗干擾設計
由于系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，既有大電流如電渦流緩速器工作，交流電信號，又有發(fā)動機振動等干擾，因此抗干擾設計是油耗儀工作穩(wěn)定性的重要內(nèi)容。可以從以下幾方面進行硬件和軟件抗干擾設計：1）對各種工作線路進行濾波和屏蔽；2）對地線進行抗干擾設計，選用不同的地線；3）對系統(tǒng)采用隔振處理；4）采用軟件濾波，濾除干擾數(shù)據(jù)。論文參考網(wǎng)。
4. 結(jié)論
本實驗通過采用Lab VIEW作為開發(fā)平臺，可直觀清楚地反映出各種數(shù)據(jù)，由于采用虛擬的控制按扭，只用鼠標鍵盤就可以操作整個試驗的進行。論文參考網(wǎng)。既能進行發(fā)動機的各種工況下的數(shù)據(jù)采集工作，同時由于系統(tǒng)軟件無縫結(jié)合，因此可以方便添加其他測量數(shù)據(jù)，便于后期的開發(fā)。
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一、課程教學現(xiàn)狀與存在問題
目前傳感器的課程內(nèi)容設置主要有三種:一按工作原理分類講授，在重點木科高校按照工作原理的講解居多，這種內(nèi)容設置系統(tǒng)性好，但傳感器種類眾多，工作機理復雜，常常涉及物理、機械、電子、材料、化工、環(huán)境、地質(zhì)、核技術(shù)等方面知識的交又，對學生相關(guān)基礎(chǔ)知識的掌握程度要求甚高，不適用于學生基礎(chǔ)較薄弱以實踐能力培養(yǎng)為主的應用性高等院校。二按被測對，這種分類便于學生理論聯(lián)系實際，但內(nèi)容龐雜，知識點系統(tǒng)化存在難度，同一測量參數(shù)涉及多類傳感器，從課程角度很難一一涉獵。且信息技術(shù)發(fā)展迅速，內(nèi)容容易缺乏時效性，對于新型傳感器的應用十分考驗學生融會貫通、舉一反三的能力。三按項目應用，項目應用教學注重學生動手能力的培養(yǎng)，很多教學研究論文都有提及，主要應用于高職高專、應用型木科院校。由以課木理論知識為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨こ添椖繛橹行模梢哉n堂教學為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫嵱柌僮鳛橹行模梢詷O大提高學生學習興趣與主觀能動性，但容易出現(xiàn)項目實用價值不高、缺乏典型性以及仟務分工與項目實施存在困難等問題。
二、教學改革方式的探索
1.根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)目標整合教學內(nèi)容
物聯(lián)網(wǎng)涉及傳感、通信與信息處理三個層次，學科交又性強，應用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展核心，傳統(tǒng)的傳感器課程內(nèi)容設置不能滿足技術(shù)創(chuàng)新應用的人才培養(yǎng)目標。從應用出發(fā)，將內(nèi)容模塊化。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用中，數(shù)據(jù)的真實可靠有效是關(guān)鍵，擔當數(shù)據(jù)采集功能的傳感器在整個系統(tǒng)的構(gòu)建中要求學生具備根據(jù)系統(tǒng)需求選擇傳感器的能力，及其對所選傳感器應用于實踐的能力。
以物聯(lián)網(wǎng)的典型應用智能家居為構(gòu)建目標為例，確立數(shù)據(jù)采集對象，如溫度、光照、人體監(jiān)測、氣體等，以其中的氣體監(jiān)測對象為例，不同應用場景需求不一樣，傳感器的選型也有極大區(qū)別，需對氣體傳感器的分類與工作原理及其主要特性參數(shù)有所了解。例如，在廚房，可燃氣體的監(jiān)測，選用前需弄清可燃氣體主要成分和安全濃度;若在客廳，空氣質(zhì)量的監(jiān)測，考慮門窗常開狀態(tài)，其測量范圍與特性參數(shù)與臥室門窗常閉的環(huán)境亦有所不同。
課堂教學由實際應用案例引出典型傳感器，進而解析其選型原因、工作原理、特性參數(shù)與使用注意事項。以點帶面，內(nèi)容在于精而不在于多。對于應用型木科院校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生來說，理論基礎(chǔ)不夠扎實，動手能力強，這種教學內(nèi)容設計便于學生案例重建，提升學習興趣，主觀上愿意深人了解傳感器的相關(guān)特性及應用，進而舉一反三，融會貫通。
2.加強課堂教學形式的組織與教學過程的設計，提升課堂教學效果
課堂教學從案例出發(fā)，案例實物演不或者成熟案例視頻演不，學生總結(jié)案例作品功能，教師從型號、主要參數(shù)、工作特性、工作原理、優(yōu)缺點、使用注意事項等方面著手剖析案例所用傳感器，并找出同類傳感器，組織學生進行討論，敘述其是否可替換及其緣由。最后由教師總結(jié)該類傳感器工作原理、工作特J吐及其選型注意事項等。學生可提前準備相關(guān)傳感器的資料以備課堂討論需要，從實際應用出發(fā)，模擬案例設計中的方案討論環(huán)節(jié)讓學生參人設計，提升課堂教學效果。
3.多元化考核，促進學生傳感器應用能力的提升
考核分為實踐考核和理論考核兩大模塊。其中理論考核分為平時課前復習提問和期末理論試題考核，平時課前復習提問主要考核學生對上節(jié)課重要理論知識的掌握程度;期末理論試題考核以書面形式考查學生對傳感器工作原理、基木特性等重要理論知識的掌握程度。實踐考核分實驗考核和課程設計兩部分，實驗部分主要針對某一類傳感器的應用，例如，霍爾傳感器的工作特性測試、霍爾測速等;課程設計要求學生根據(jù)指定選題從課題前期資料調(diào)研、方案設計、可行性分析、到系統(tǒng)構(gòu)建、系統(tǒng)調(diào)試與測試完成一個傳感器應用的系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。
論文關(guān)鍵詞：熱釋電，紅外傳感器，信號處理，開關(guān)電路
1引言
目前的照明控制應用最多的還是幾年前出現(xiàn)的聲光控延時燈具和開關(guān)。這種燈具和開關(guān)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了人來燈亮，人走燈滅，目前已成為照明開關(guān)的主流產(chǎn)品。這種產(chǎn)品在某種程度上說確實實現(xiàn)了節(jié)能的目的，但同時也給人們的生存環(huán)境造成了一定的破壞。由于產(chǎn)品本身性能的限制，這種聲光控燈具和開關(guān)自動控制的實現(xiàn)需要（超過60分貝）聲音的配合開關(guān)電路，這就給大眾需要的安靜環(huán)境造成一定的噪聲污染。
隨著社會的發(fā)展和人們對生態(tài)環(huán)境的重視，這種聲光控燈具和開關(guān)已慢慢不能滿足人們的需要，這就要求更加節(jié)能和環(huán)保的自動照明控制產(chǎn)品的出現(xiàn)。人體紅外傳感照明開關(guān)控制電路是基于紅外線技術(shù)的自動控制電路，當有人進入感應范圍時，專用傳感器探測到人體紅外光譜的變化，自動接通負載，人不離開感應范圍，將持續(xù)接通；人離開后，延時自動關(guān)閉負載。它的出現(xiàn)彌補了聲光控技術(shù)的缺陷，它的自動控制的實現(xiàn)不需要聲音和其他會給環(huán)境造成影響的條件的配合，而是人走過時身體向外界散發(fā)紅外熱量最終實現(xiàn)它的自動控制功能。人到燈亮，人離燈熄，親切方便，安全節(jié)能，更顯示出人性化關(guān)懷，同時因為它是感應人體熱量控制開關(guān)，所以避免了無效電能的損耗，達到節(jié)能效果。
2設計思路及要求
利用BISS0001作為信號處理芯片。
利用熱釋電紅外傳感器探測移動人體。
通過對一定環(huán)境的監(jiān)測,能在相應的條件下對移動的人體進行監(jiān)測。
檢測到人體移動時繼電器能及時閉合，使LED驅(qū)動器打開，LED開始發(fā)光。無人體移動時，繼電器斷開，LED驅(qū)動器斷路。
能通過市電直接給系統(tǒng)供電而不需要干電池。
探測距離2～3米。
探測角度：水平70°，垂直70°。
3系統(tǒng)方案設計
本系統(tǒng)采用BISS0001芯片作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，將整個電路分為芯片供電電源（包括降壓取電線路、單線取電線路與穩(wěn)壓電路）、開關(guān)控制線路、熱釋電傳感器、信號處理、負載（LED驅(qū)動器）電路等功能模塊免費論文下載。圖1給出該系統(tǒng)的總體框圖。其工作原理就是：在測量范圍內(nèi)無人活動時，整個系統(tǒng)電路除BISS0001芯片及熱釋電傳感器外都停止工作，芯片供電電源是通過電容降壓電路取得。當有人活動時，熱釋電傳感器接收到信號經(jīng)BISS0001芯片處理放大送到開關(guān)控制電路，電容降壓電路斷開開關(guān)電路，芯片電源靠變換器產(chǎn)生電路取得，延時一段時間后，在進行熱釋電傳感器檢測。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
4.硬件電路的實現(xiàn)
硬件電路是通過熱釋電紅外傳感器探測人體的活動，通過BISS0001處理信號，然后通過三極管控制繼電器工作，最后達到控制LED燈的目的[6][5]。其具體電路如圖2所示。
電路分析：傳感信號放大電路采用現(xiàn)有的技術(shù)，具體是以集成電路BISS0001為核心組建的電路，主要有電阻R1~R6、R10~R12、電容器C1~C4、C8~C10和二極管D2~D4構(gòu)成，R12與C4組成開關(guān)電路的導通時間的控制。開關(guān)控制線路由雙向可控硅Q1、電阻R9和電容C12構(gòu)成。熱釋電紅外傳感感器P1的輸出端與集成電路BIS0001的信號輸入端，即14腳連接，降壓取電線路的輸出端與集成電路BISS0001的電源輸入端，即1腳連接，開關(guān)控制線路的輸入端，即雙向可控硅Q1的控制極通過電阻R9與集成電路BISS0001的控制信號輸出端2腳連接，負端LED驅(qū)動器在雙向可控硅Q1的第一陽極與220V的交流電之間。
單線取電線路為升壓變壓器T1，變壓器T1的初級的一端與雙向可控硅Q1的第二陽極連接，另一端接地，變壓器T1的次級與穩(wěn)壓線路的輸入端連接。
穩(wěn)壓線路有整流器、濾波器和穩(wěn)壓集成電路組成，電路中整流器為二極管橋式整流器BR1，濾波器為電容器C14、C15，穩(wěn)壓集成電路為X7805，橋式整流器BR1的輸入端與變壓器T1的次級連接，輸出端與地線之間并聯(lián)濾波電容器C14、C15，并與X7805的輸入端連接，X7805的輸出端與集成電路BIS0001的電源輸入端，即1腳連接。
不同的傳感信號放大電路有可能要求的電源電壓之間，因此與之匹配的單線取電線路（即變壓器T1）和穩(wěn)壓線路特別是其中的穩(wěn)壓集成電路X7805，應根據(jù)需要提供的電壓選用。單線取電線路的輸入端與開關(guān)控制線路路中的雙向可控硅的第二陽極連接開關(guān)電路，輸出端與穩(wěn)壓線路的輸入端連接。
圖2 單線接入紅外感應電路原理圖
5 實驗分析
通過對樣機實驗的驗證，單線接入紅外感應電路在檢測到的范圍內(nèi)，能夠迅速地把熱釋電紅外傳感器檢測到的信號送到BISS0001中進行處理，并控制雙向可控硅Q1使LED驅(qū)動電路迅速的導通。在無人的條件下，光源斷開的節(jié)能效果。
該系統(tǒng)是單路控制紅外感應電路，可以增加其穩(wěn)定性；變壓器可以把體積變得更小，延時更精確。其優(yōu)點：被動式熱釋電紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，可以串聯(lián)進220v電路中，價格低廉。由于BISS0001芯片的特殊設計，對噪聲抗干擾能力強，技術(shù)性能穩(wěn)定，較易推廣、普及。
缺點：容易受各種熱源、光源干擾；被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；易受射頻輻射的干擾；環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈。
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關(guān)鍵詞STC89C52；傳感器；藍牙；監(jiān)測
引言
近年來，隨著人們生活質(zhì)量提高，生活環(huán)境越來越受到大家的廣泛重視，室內(nèi)環(huán)境與人們的健康息息相關(guān)，因此提高人們的室內(nèi)環(huán)境意識與完善室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要，同時做好室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，對于提高居民生活的舒適性具有十分重要的意義。本文以STC89C52單片機作為系統(tǒng)核心控制器，采用溫濕度傳感器、灰塵傳感器完成環(huán)境信息的采集，根據(jù)傳感器的工作原理，設計相關(guān)的硬件電路，將傳感器采集的環(huán)境信息通過單片機處理后在LCD1602上進行顯示；通過按鍵輸入模塊實現(xiàn)溫、濕度值或者粉塵濃度上下限設置，當測量值達到相應的設定值時，單片機控制相應聲光報警提示，同時發(fā)出相應的控制信息，借助藍牙模塊實現(xiàn)單片機與移動終端的通信，將相應信息傳輸?shù)绞謾C，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與調(diào)節(jié)。
1.系統(tǒng)硬件設計
1.1總體設計在硬件設計方面，主要設計了單片機控制模塊、傳感器電路模塊、液晶顯示模塊、按鍵電路、聲光報警電路、繼電控制電路以及藍牙通信模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示：圖1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.2單片機控制模塊本系統(tǒng)使用的是STC89C52芯片，由復位電路和時鐘電路組成單片機最小系統(tǒng)。其中晶振Y1采用11.0592MHz，起振電容C2、C3一般采用22pF，當按鍵s6按下時，系統(tǒng)復位。電路如圖1.2所示（見下頁）。1.3傳感器電路的設計溫濕度傳感器模塊采用的是DHT11溫濕度復合傳感器，使用時不需要額外增加AD轉(zhuǎn)換模塊，本系統(tǒng)在設計時，將DHT11的DOUT端口與單片機的P3.4相連，將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送給單片機。電路如圖1.3所示：粉塵傳感器模塊采用的是GP2Y1010AU0F粉塵傳感器,該傳感器利用光敏原理來工作。其中，粉塵傳感器的LED端口與單片機的P2.3相連，當單片機給P2.3一個有效電平時，LED發(fā)光。此時開始檢測空氣中的灰塵濃度，但由于GP2Y1010AU0F粉塵傳感器輸出的是模擬信號，所以要經(jīng)過ADC0832才能轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號，ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，將DI和DO并聯(lián)起來作為一路輸入使用，連接在單片機的P3.7端口上，片選端連接單片機的P3.51.4液晶顯示電路設計液晶電路設計采用的是1602字符型液晶，1602LCD是指顯示的內(nèi)容依次為第一行內(nèi)容是“R:%T:℃60”第二行內(nèi)容是“PM2.5:ug/m3”。電路如圖1.5所示：1.5聲光報警電路及驅(qū)動電路的設計通過傳感器對空氣中溫濕度的測量，結(jié)合程序中給出的上下限值，以PNP型的三極管作為開關(guān)使用，當所測得的環(huán)境濕度低于所設定的濕度范圍的下限值時，繼電器吸合則聲光報警；如果所測得的環(huán)境濕度高于設定的濕度的范圍的上限值，繼電器吸合控制USB供電，小風扇轉(zhuǎn)動降低室內(nèi)環(huán)境的濕度。1.6藍牙模塊電路設計藍牙模塊采用的是A09HC-05。通過RXD接收從其它設備發(fā)來的數(shù)據(jù)，接在單片機的P3.1引腳；通過TXD發(fā)送數(shù)據(jù)給其它設備，接在了單片機的P3.0引腳。打開手機的藍牙，搜索到HC-05配對后，即可實現(xiàn)藍牙與移動終端的結(jié)合。藍牙模塊電路如圖1.6所示：
2.系統(tǒng)軟件設計
在軟件方面，程序代碼分為主程序部分、頭文件部分、LCD顯示部分和傳感器部分。首先，主函數(shù)，確定了按鍵電路，可以在電路板上實現(xiàn)按鍵改變溫濕度上下限的大小的功能，并且實現(xiàn)了藍牙與單片機之間數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。LCD顯示部分代碼確定了LCD1602顯示的內(nèi)容與格式。傳感器部分實現(xiàn)了DHT11溫濕度傳感器對溫濕度的采集與顯示和灰塵傳感器的采集與顯示的功能，其中包括將灰塵傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的代碼。頭文件部分包括所要調(diào)用的函數(shù)、各個端口的設置以及系統(tǒng)的延時函數(shù)。流程圖如圖所示：
3.結(jié)論
本論文通過硬件電路設計和軟件程序開發(fā)，實現(xiàn)了室內(nèi)溫濕度和粉塵濃度信息的檢測，通過LCD1602液晶屏實現(xiàn)信息顯示，并結(jié)合藍牙模塊實現(xiàn)單片機與移動終端的通信，經(jīng)過實驗分析，能夠很好的實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測功能。
參考文獻：
[1]李天成.基于單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀設計與實現(xiàn)[J].濱州學院學報，2012.
[2]劉巍.基于單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計.電子制作，2013
【關(guān)鍵詞】室內(nèi)環(huán)境檢測；ATXmega128A1；甲醛；苯；溫度；濕度
1.引言
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，居室裝修及家具更新越來越普遍，室內(nèi)裝修和大量使用各種合成板材制作的家具，使室內(nèi)空氣中以甲醛、苯等揮發(fā)性有機物為代表的化學性物質(zhì)的污染成為人們關(guān)注的焦點[1]。室內(nèi)裝修、裝飾后造成的環(huán)境污染已經(jīng)影響到人們的身心健康，甚至嚴重地危害人類的健康和生存[2]。因此，本論文設計和實現(xiàn)了一種簡單實用，性能可靠的室內(nèi)環(huán)境檢測儀，對提醒人們及時改善居住環(huán)境條件、保護人們身體健康具有重要的意義。
2.ATXMEGA128A1簡介
ATxmega128A1是ATMEL公司推出的強化性能的8位AVR微控制器。它采用第二代picoPower技術(shù)，是唯一真正使用1.6V工作電壓的閃存微控制器。該器件功耗超低，并擁有豐富的片上資源：2個16路12位的A/D轉(zhuǎn)換器、2個2路12位的D/A轉(zhuǎn)換器、4路模擬比較器、4通道DMA控制器、8通道事件系統(tǒng)、4個SPI接口、4個IIC接口、8個16位定時/計數(shù)器、1個RTC和1個AES加密引擎，全部都無需占用CPU資源，能夠最大限度減少功耗和提高系統(tǒng)性能。ATxmega128A1微控制器的閃存容量為128KB，采用100引腳的貼片封裝，工作電壓為1.6～3.6V，32MHz頻率下處理性能可達到32MI/s[3]。
室內(nèi)環(huán)境檢測儀采用ATxmega128A1作為核心微控制器，使得整個系統(tǒng)器件大大減少，在降低成本的同時又提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。
3.系統(tǒng)總體設計
本文所設計的室內(nèi)環(huán)境檢測儀，要求一方面可用于檢測室內(nèi)空氣中的甲醛、苯等有害氣體，另一方面可用于測量室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，并具有時鐘的功能。因此，室內(nèi)環(huán)境檢測儀的系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。從圖1中可以看出，在室內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)中，采用了甲醛傳感器模塊和苯傳感器模塊實時監(jiān)測室內(nèi)主要有害氣體的含量，并將檢測到的氣體濃度轉(zhuǎn)換為0～3.3V的電壓值，然后送給ATxmega128A1微控制器片上的12位AD進行采集，并進行數(shù)據(jù)處理，得到相應的氣體濃度值，接著根據(jù)國家對室內(nèi)氣體相關(guān)標準，來決定檢測的氣體濃度是否超標，如果超標，發(fā)出報警，并顯示在液晶屏上，讓居住者防范于未然。溫、濕度傳感器模塊用來檢測室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，給居住者作為參考。
4.系統(tǒng)硬件電路設計
系統(tǒng)硬件電路由ATxmega128A1最小系統(tǒng)、苯傳感器模塊電路、甲醛傳感器模塊電路、溫濕度傳感器模塊電路、鍵盤與顯示電路、聲光報警電路、SD卡模塊電路和系統(tǒng)電源模塊電路組成。下面僅對部分電路模塊進行介紹。
4.1 苯傳感器模塊電路
測量空氣中苯的傳感器為MQ135傳感器，該傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的SnO2。當傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。電路如圖2所示，電阻R2用來調(diào)節(jié)輸出的靈敏度。
4.2 甲醛傳感器模塊電路
甲醛傳感器的模塊由HCHO傳感器（CH2O/S—10）[4]、場效應管SST177和運放OP296、OP90組成。電路如圖3所示，其功能為將室內(nèi)環(huán)境中HCHO氣體的濃度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓⒃撔盘栠M行放大輸出，從而將對HCHO氣體濃度的測量轉(zhuǎn)變?yōu)閷﹄妷旱臏y量，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)變[5]。
4.3 溫、濕度傳感器模塊電路
溫、濕度傳感器的模塊電路采用DHT11溫、濕度傳感器和DS18B20溫度傳感器來實現(xiàn)，確保溫、濕度的顯示有對比性和精確性。DHT11的供電電壓為3V～5.5V。傳感器上電后，要等待1s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何指令。電源和地的引腳（VCC，GND）之間增加一個100nF的電容，用來退耦。電路如圖4所示。
4.4 鍵盤與顯示模塊、聲光報警電路
鍵盤與顯示模塊是用戶與環(huán)境檢測儀進行信息交流的模塊，鍵盤電路由3個小按鍵組成，顯示電路采用Nokia5110液晶顯示模塊，聲光報警電路由高亮的發(fā)光二極管、三極管和蜂鳴器組成。
5.氣體傳感器的標定
為使室內(nèi)環(huán)境檢測儀達到預期的性能指標，本文對HCHO傳感器和苯傳感器進行了靜態(tài)標定。原理是將已知濃度的被測氣體輸入待標定的傳感器，用萬用表測量傳感器變送模塊的輸出電壓。對所獲得的傳感器輸入量和輸出量進行處理和比較，得到表征兩者對應關(guān)系的標定曲線，找出它們關(guān)系方程并寫入程序中。
6.系統(tǒng)軟件設計
室內(nèi)環(huán)境檢測儀軟件設計主要包括按鍵掃描程序設計、Nokia5110顯示程序的設計、A/D程序的設計、SD卡的讀/寫程序的設計以及溫、濕度傳感器的單總線程序的設計。下面僅給出系統(tǒng)軟件設計總流程圖，如圖5所示[6—7]。
7.實驗測試
表1、表2和表3分別給出了溫度、濕度和甲醛的測試數(shù)據(jù)，其中T為溫度，H為濕度，甲醛氣體濃度的單位為PPM。從表1、表2和表3的數(shù)據(jù)可知，該環(huán)境檢測儀的測量精度較高。
8.結(jié)論
環(huán)境監(jiān)測中的甲醛和苯測定主要方法是吸收與化學滴定，難以進入民用領(lǐng)域。對于室內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測，該室內(nèi)環(huán)境檢測儀操作簡單，方便實用。實驗結(jié)果表明，該儀器測量結(jié)果較精確，基本滿足環(huán)境參數(shù)檢測的要求。另外該檢測儀的微控制器還有空余通道，可加裝其它傳感器，如燃氣傳感器等，以擴大其使用功能。
參考文獻
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本文為桂林電子科技大學信息科技學院院內(nèi)科研項目：《智能家居系統(tǒng)設計》的研究成果（項目號：桂電信科B201105）。
作者簡介：
易藝（1983—），男，學士，實驗師，現(xiàn)供職于桂林電子科技大學信息科技學院，主要研究方向：智能儀器系統(tǒng)。
【Abstract】 The contour measurement by using the light visual sensor in line structure is becoming more and more important in non-contact measurement. The calibration of line structure optical vision sensor is the key of line structure optical visual measurement. Based on the existing calibration method， this paper presents a calibration method based on the block shaped dot target， and gives a mathematical model. The accuracy of the experiment is met with ordinary measurement.
【關(guān)鍵詞】線結(jié)構(gòu)光；視覺傳感器 ；現(xiàn)場標定方法
【Keywords】 line structured light； vision sensor； field calibration method
【中圖分類號】TP391.41 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0163-02
1 研究現(xiàn)狀
目前，針對線結(jié)構(gòu)光的視覺測量模型，提出了許多線結(jié)構(gòu)光傳感器的標定方法。主要有Dewar R提出的拉絲標定法[1]，段發(fā)階等提出了鋸齒靶法[2-3]，Huynh、徐光v和魏振忠分別提出了利用交比不變性原理獲取光平面標定點的標定方法。周富強、張廣軍等人提出了基于平面參照物的標定方法，簡化了標定設備，適合現(xiàn)場標定，但每次標定時需多次改變激光光條與平面標定參照物的位置，增加了標定的復雜度。后來，周富強和魏振忠等先后提出了利用一維靶標上距離已知的特征點之間的距離約束，實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)標定的新方法，但標定點獲取的個數(shù)和精度受到限制。
2 線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的數(shù)學模型
3 線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的標定
3.1 標定靶標的設計
根據(jù)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的數(shù)學模型可知有8個未知系統(tǒng)參數(shù)，需要至少4個非共線對應點。由此，設計了方框型圓點靶標，用來獲取標定時所需要的高精度的標定點。該靶標由相互垂直的四個剛性平面構(gòu)成，四周光刻半徑為4mm，相鄰間距為20mm的標靶圓點，分別以中間靶標圓點的中心為定位點定位在靶標框的直角頂點處。調(diào)整靶標使激光光平面與靶標圓點中心所在平面一致，如圖1所示。
3.2 系統(tǒng)參數(shù)的標定
按照圖2所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整攝像機1和攝像機2使靶標圓點能在其中成全像，并且由線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的數(shù)學模型可知，靶標圓點的圖像坐標也不能在同一直線上。
4 試驗
標定精度主要從單點的定位精度進行驗證。用標定好的兩臺攝像機采集驗證點的圖像，并根據(jù)如圖3所示，其中，實際坐標用“O”表示，測量坐標用“+”點表示，其對比誤差在0.2mm以內(nèi)。
5 結(jié)論
建立了基于線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測量輪廓截面積的數(shù)學模型，提出了一種基于方框形共線圓點靶標的線結(jié)構(gòu)光傳感器系統(tǒng)參數(shù)的現(xiàn)場標定方法。該方法只需要調(diào)整標定靶標使其特征圓點的中心平面與線結(jié)構(gòu)光平面在同一平面內(nèi)，即可通過一次靶標圖像采集，計算出線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的系統(tǒng)參數(shù)。目前，關(guān)于如何調(diào)整光平面使其與基準平面在同一平面內(nèi)還沒有簡便有效的方法，可進一步研究來提高精度。
【參考文獻】
【1】段發(fā)階.一種新型線結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標定方法[J].儀器儀表學報，2000，21（l）：105-110.
